DE3048260A1

DE3048260A1 - "verfahren zum herstellen einer wassergekuehlten turbinenleitschaufel"

Info

Publication number: DE3048260A1
Application number: DE19803048260
Authority: DE
Inventors: Myron Clyde Amsterdam N.Y. Muth; William Frederick Rexford N.Y. Schilling; Edwin Laverne Schenectady N.Y. Teaney; Leo Charles Ballston Spa N.Y. Willmott
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-12-26
Filing date: 1980-12-20
Publication date: 1981-10-08
Also published as: GB2066113B; GB2066113A; CH647444A5; US4283822A; JPS56107903A; JPS6237203B2

Description

Verfahren zum Hersteilen einer wassergekühlten
Turbinen!eitschaufel

Die Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von wassergekühlten Turbinenleitschaufein (Turbinendüsen) , das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
Herstellen eines geschmiedeten oder gegossenen Kupfer- oder Kupicrlegierungsflügelprofilkernes mit sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgangslöchern an vorbestimmten Stellen und Einsetzen einer ersten Anzahl von Kühlrohren in die Löcher; Herstellen einer oberen Stirnwand, die einen Verbundaufbau aus einer ersten oberen Schicht aus rostfreiem Stahl und einer ersten unteren Schicht aus Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit, welches aus Metallpulver verfestigt worden ist, hat und eine zweite Anzahl von Kühlrohren aufweist, die in die erste untere Schicht eingebettet sind und sich durch die erste obere Schicht erstrecken;
Herstellen einer unteren Stirnwand, die einen Verbundaufbau

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aus einer zweiten unteren Schicht aus rostfreiem Stahl und einer zweiten oberen Schicht aus eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisendem Kupfer, das aus Metallpulver verfestigt worden ist, hat und eine dritte Anzahl von Kühlrohre^ aufweist, die in die zweite obere Schicht eingebettet sind und sich durch die zweite untere Schicht erstrecken;

Vorformen einer korrosionsbeständigen äußeren Hülle in der Gestalt eines hohlen Körpers, der an beiden Enden offen ist und im wesentlichen die äußeren Abmessungen der Leitschaufel hat;

Einsetzen der unteren Stirnwand, des Flügelprofilkernes und der oberen Stirnwand in den hohlen Umhüllungskörper und Miteinanderverbinden beider Stirnwände und des Flügelprofilkernes durch mehrere Holmstangen;

Verschweißen der Holmstangeii, der Kühlrohre und des Umhüllungskörpers mit den Stirnwänden zu einer Baugruppe; Absaugen der Luft aus der Baugruppe und Verschließen derselben unter Vakuum;

Diffusionsbinden der Baugruppe durch isostatisches Heißpressen; und

spanabhebendes Bearbeiten der in sich verbundenen Baugruppe, um die fertige Leitschaufel herzustellen.

Die Hauptbedeutung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß zum Erzielen einer ausreichenden Kühlung des Gasturbinenleitschaufelkranzes bei den Betriebsbedingungen die Kühlrohre in ein wärmeleitendes Metall, wie z.B. Kupfer, eingebettet sein müssen. Die Gestaltung des Kupferteils durch ein Gieß- oder Schmiedeverfahren führt jedoch zu einem wesentlich stabileren Produkt als bei Verwendung des bekannten Pulvermetallurgieverfahrens, welches im allgemeinen zu Kupferlegierungen mit geringeren Festigkeiten führt. Das ist für den Flügelprofilabschnitt der Leitschaufel besonders wichtig, wo hohe Zugfestigkeiten zum Aushalten der

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- 5 hohen Wärmesparmungen im Betrieb erforderlich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer und teilweise aufgebrochener Darstellung eine Verbundleitschaufel für wassergekühlte Gasturbinen, die gemäß dem Verfahren nach der Erfindung diffusionsgebunden worden ist,

Fig. 2 eine Ansicht des aus Kupfer gegossenen

Flügelprofilkerns mit vorgebohrten Löchern für die Leitschaufel von Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht der unteren Verbundstirnwand

für die Leitschaufel von Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht der oberen Verbundstirnwand

für die Leitschaufel von Fig. 1, und

Fig. 5 eine Ansicht der vorgeformten Hülle für

die Leitschaufel von Fig. 1.

bzw. Düse

Fig. 1 zeigt eine Verbundleitschaufel/10 für wassergekühlte Hochtemperaturgasturbinen, die durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellt worden ist. Die Leitschaufel 10 besteht aus einem geschmiedeten oder gegossenen Flügelprofilkern 12 aus Kupfer, in welchem eine erste Anzahl von Kühlrohren 14 in Längslöcher eingebettet sind. Über dem Kern 12 befindet sich eine obere Stirnwand 24 mit einem Verbundaufbau, der, ähnlich wie bei einer unteren Stirnwand 16, aus einer ersten Schicht aus gut wärmeleitendem Metall, die in Fig. 4 mit 26 bezeichnet ist, und aus einer zweiten, tragenden und korrosionsbeständigen

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Schicht 28 aus rostfreiem Stahl besteht. Eine zweite Anzahl von Kühlrohren 30 ist in die wärmeleitende Schicht eingebettet und erstreckt sich zu Auslässen in der zweiten Schicht 28 der oberen Stirnwand 24. Unterhalb des Kerns 12 befindet sich die untere Stirnwand 16, die einen Verbundaufbau aus einer ersten Schicht 18 aus gut wärmeleitendem Metall, z.B. Kupfer, und einer zweiten, tragenden und korrosionsbeständigen Schicht 20 aus rostfreiem Stahl hat. Eine dritte Anzahl von Kühlrohren 22 ist in die erste Schicht 18 eingebettet und erstreckt sich zu Auslässen in der zweiten Schicht 20. Von der oberen Stirnwand 24 aus erstrecken sich mehrere Holmstangen 32 durch den Plügelprofilkern 12 und durch die untere Stirnwand 16. Die erste Anzahl von Kühlrohren 14 ist oben mit der Schicht 28 der oberen Stirnwand 24 und unten mit der Schicht 20 der unteren Stirnwand 16 verschweißt. Der Flügelprofilkern 12, die obere Stirnwand 24 und die untere Stirnwand 16 sind von einer korrosionsbeständigen Hülle 34 umschlossen, da jedes der umschlossenen Teile Kupfer enthält, das gegen die korrodierende Atmosphäre der heißen Gase, die während des Betriebes der Gasturbine vorhanden ist, nicht beständig ist.

Die Fig. 2 bis 5 sind perspektivische Darstellungen der einzelnen Teile, die durch Diffusionsbindung zu der Leitschaufel (Düse) von Fig. 1 verbunden werden. Der Flügelprofilkern 12 hat gemäß Fig. 2 eine obere Fläche 36 und eine untere Fläche 38. Er hat kleine Löcher 40 für die ersten Kühlrohre und große Löcher 42 für die Holmstangen, welche sich an vorbestimmten Stellen in Längsrichtung durch den Kern erstrecken. Es ist ein wichtiges Merkmal der durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellten Leitschaufel 10, daß ein schneller Wärmeübergang zwischen der Oberfläche der Leitschaufel 10 und dem Kühlwasser (nicht gezeigt) erfolgt, weshalb das Metall, das nahe denjenigen Teilen der Leitschaufel 10 benutzt wird, an denen die Kühlung erfolgt, ein ausgezeichnetes Wärmeleitvermögen haben muß, was beispiels-

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weise bei reinem Kupfer und bei Kupferlegierungen der Fall ist. Der hier benutzte Flügelprofilkern wird durch herkömmliche Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Anschließend werden die kleinen Löcher 40 und die großen Löcher 42 in den Flügelprofilkern 12 gebohrt.

Gemäß Fig. 3 hat die untere Stirnwand 16 einen Verbundaufbau aus einer ersten Schicht 18 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, in die eine dritte Anzahl von Kühlrohren eingebettet ist, und zwar insgesamt in schlangenförmiger Anordnung, ähnlich wie die in Fig. 1. Die erste Schicht 18 wird durch Pulvermetallurgieverfahren hergestellt. Die HoImstangen 32 in Fig. 1 werden anschließend durch die größeren Löcher 44 hindurchgeführt. Ebenso geht die erste Anzahl von Kühlrohren durch die kleineren Stirnwandlöcher 21. Es ist außerdem eine erste Ausrundung 46 vorhanden, die so geformt ist, daß sie der unteren Fläche des Flügelprofilkerns 12 angepaßt ist und mit dieser verbunden werden kann. Der andere Teil der unteren Verbundstirnwand 16 ist eine korrosionsbeständige Schicht 20, die typischerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und ausführlicher in Fig. 4 gezeigt ist, in der die Schicht 28 der oberen Stirnwand 24 in Draufsicht gezeigt ist. Die untere Schicht 26 besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und hat im wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die obere Schicht 18 der Stirnwand 16. Die zweite Anzahl von Kühlrohren 30 ist in die zweite Schicht 26 eingebettet und geht durch die korrosionsbeständige Schicht 28 hindurch, welche typischerweise ebenfalls aus rostfreiem Stahl besteht. Es gibt außerdem eine gleiche Gruppe von großen Löchern 44, in denen die Holmstangen 32 befestigt werden.

Der Flügelprofilkern 12, die untere Stirnwand 16 und die obere Stirnwand 24 werden in eine Linie gebracht und in eine korrosionsbeständige äußere Hülle 34 eingesetzt, die die Gestalt eines hohlen Körpers hat, der an beiden Enden offen ist und im wesentlichen mit den äußeren Abmessungen der Leitschaufel 10 von Fig. 1 übereinstimmt. Das Herstellen

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der Hülle kann beispielsweise durch das in der US-PS 3 928 901 beschriebene Verfahren erfolgen. Die Hülle 34 wird hergestellt, indem ein Flügelprofxlkernumhüllungsabsehnitt 48, ein Umhüllungsabschnitt 50 für die obere Stirnwand _,_.i ein Umhül] ungsabschnitt 52 für die untere Stirnwand miteinander verschweißt werden.

Die bevorzugten Werkstoffe für die Umhüllung sind Nicke]-Chrom-Legierungen, wie sie beispielsweise im Handel von der International Nickel Company unter der Bezeichnung IN-6 71 und IN-617 erhältlich sind. Die einfachen Nickel-Chrom-Legierungen bestehen im wesentlichen 50-80 Gew.% Nickel und 20-50 Gew.% Chrom, wobei eine bevorzugte Zusammensetzung Ni-SOCr ist. Die komplexeren Legierungen enthalten eine Anzahl von Elementen und werden durch die Legierung IN-617 repräsentiert, die folgende Zusammensetzung hat:

ELEMENTE	GEW.
Chrom	22
Aluminium	1
Kobalt	12,5
Molybdän	9
Bor	0,003
Kohlenstoff	0,07
Nickel	Rest

An dieser Stelle werden bei dem Verfahren nach der Erfindung die Einzelteile zusammengesetzt, indem zuerst die untere Stirnwand 16 in die vorgeformte Hülle 34 eingesetzt wird. Dann wird der Flügelprofilkern 12, der die Kühlrohre 14 enthält, in die Hülle 34 eingesetzt, und anschließend wird die obere Stirnwand 24 über dem Flügelprofilkern 12 angeordnet. Die Holmstangen 32 werden durch die Stangenöff— nungen 44 und 42 in den Stirnwänden bzw. dem Flügelprofilkern hindurchgeschoben. Die Holmstangen 32, die Kühlrohre 14 und die Hülle 34 werden mit den Stirnwänden 16 und 24 zu einer Baugruppe verschweißt. Die Baugruppe wird luftleer

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gemacht und unter Vakuum verschlossen.

Die Baugruppe wird dann direkt in eine isostatische Heißpresse eingebracht und unter geeigneten Parametern verfestigt, zu denen kritische Temperatur-, Druck- und Zeitbedingungen gehören. Die Temperatur sollte zwischen 816 ⁰C (1500⁰F) und 1033 ⁰C (1900⁰F) liegen. Wenn die Temperatur unter 816 ⁰C (1500⁰F) liegt, wird die Zeit übermäßig lang, und, wenn die Temperatur über 1038 ⁰C (1900⁰F) geht, besteht die Gefahr, daß das Kupfer schmilzt. Der brauchbare Druck liegt in dem Bereich 69-1724 bar (1-25 ksi) und unterliegt der allgemeinen Bedingung, daß der Druck umso größer sein muß, je niedriger die Temperatur ist. Die Zeiten liegen in dem Bereich von 0,5 bis etwa 4 h, was für eine Diffusionsbindung der Baugruppe ausreichend sein sollte. Die Kühlrohre sind, wie dargestellt, innen gegenüber dem Autoklavendruck offen, wodurch ihre Zusammendrückung verhindert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Diffusionsbindung, indem die Baugruppe direkt in eine isostatische Heißpresse eingebracht und einer Temperatur von 982 ⁰C (1800⁰F) bei einem Druck von 1034 bar (15 ksi) und für eine Zeitspanne von zwei Stunden ausgesetzt wird. Nach der Entnahme aus dem Autoklaven wird die Baugruppe an Luft auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Anschließend wird die in sich verbundene Baugruppe zu der fertigen Leitschaufel verarbeitet, indem alle überschüssigen Schweißmaterialien entfernt und unter Anwendung herkömmlicher spanabhebender Oberflächenbearbeitungsverfahren die Paßflächen bearbeitet werden.

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Claims

Patentansprüche :

J Verfahren zum Herstellen einer wassergekühlten Turbinenleitschaufel, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Herstellen eines Kupfer- oder Kupferlegierungsflügelprofilkernes mit sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgangslöchern an vorbestimmten Stellen und Einsetzen einer ersten Anzahl von Kühlrohren in die Löcher;

b) Herstellen einer oberen Stirnwand, die einen Verbundaufbau aus einer ersten oberen Schicht aus rostfreiem Stahl und einer ersten unteren Schicht aus Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit, welches aus Metallpulver verfestigt worden ist, hat und eine zweite Anzahl von Kühlrohren aufweist, die in die erste untere Schicht eingebettet sind und sich durch die erste obere Schicht erstrecken;

c) Herstellen einer unteren Stirnwand, die einen Verbundaufbau aus einer zweiten unteren Schicht aus rostfreiem Stahl und einer zweiten oberen Schicht aus eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisendem Kupfer, das aus Metallpulver verfestigt worden ist, hat und eine dritte Anzahl von Kühlrohren aufweist, die in die zweite obere Schicht eingebettet sind und sich durch die zweite untere Schicht erstrecken;

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ORIGINAL INSPECTED

d) Vorformen einer korrosionsbeständigen äußeren Hülle in der Gestalt eines hohlen Körpers, der an beiden Enden offen ist und im wesentlichen die äußeren Abmessungen der Leitschaufel hat;

e) Einsetzen der unteren Stirnwand, des Flügelprofilkernes und der oberen Stirnwand in den hohlen Umhüllungskörper und Miteinanderverbinden beider Stirnwände und des Flügelprofilkernes durch mehrere Holmstangen;

f) Verschweißen der Holmstangen, der Kühlrohre und des Umhüllungskörpers mit den Stirnwänden zu einer Baugruppe ;

g) Absaugen der Luft aus der Baugruppe und Verschließen derselben unter Vakuum;

h) Diffusionsbinden der Baugruppe durch isostatisches Heißpressen; und

i) spanabhebendes Bearbeiten der in sich verbundenen Baugruppe, um die fertige Leitschaufel herzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbindung bei einer Temperatur von etwa 816-1038 ⁰C (1500-1900⁰F) bei einem Druck von 69-1724 bar (1-25 ksi) und für eine Zeit von 0,5-4 h erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die korrosionsbeständige Hülle eine Legierung ist, die im wesentlichen aus 50-80 Gew.% Nickel und 20-50 Gew.% Chrom besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle eine Legierung ist, die im wesentlichen aus etwa 50 Gew.% Nickel und 50 Gew.% Chrom besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbindung bei einer Temperatur von 982 ⁰C (1800⁰F) bei einem Druck von 690 bar (10 ksi) und für eine Zeit von 2 h erfolgt.

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